光伏组件性能测试中弱光条件下的性能表现分析

在光伏组件的实际应用场景中，弱光条件（如清晨/傍晚低辐照度、阴天散射光或局部遮挡环境）是常见但易被忽视的工况。相较于标准测试条件（STC，1000W/m²、25℃、AM1.5）下的“理想性能”，弱光环境更贴近用户日常使用场景，其性能表现直接影响组件的发电量稳定性与长期收益。因此，深入分析弱光条件下光伏组件的性能特征，对优化组件设计、提升系统效率具有关键意义。

弱光条件的定义与测试标准边界

弱光条件的界定尚无统一标准，但行业普遍将辐照度低于200W/m²的环境归为弱光——这一范围覆盖了清晨、傍晚的低太阳高度角时段，以及阴天、雾霾天的散射光场景。在光伏组件测试领域，IEC 61215（地面用晶体硅光伏组件设计要求与测试）与IEC 61730（光伏组件安全规范）均对低辐照度测试提出要求，明确需在50W/m²、100W/m²、200W/m²等梯度下进行性能验证。

值得注意的是，弱光测试的准确性高度依赖环境控制：由于低辐照度下组件温度通常低于STC的25℃（如清晨温度可能在10℃-20℃），测试标准要求将组件温度稳定在25℃±2℃，以排除温度对电性能的干扰。若温度控制不当，比如组件温度偏低，Voc会偏高，导致测试功率虚高，无法反映真实弱光性能。

此外，弱光下的光谱特性也需匹配AM1.5标准光谱。例如，阴天的散射光光谱中短波（300nm-500nm）占比更高，若测试设备的光谱与实际场景偏差大，会导致组件光谱响应（SR）测试结果失准——比如HJT组件因短波响应优异，在真实阴天弱光下的性能会优于光谱不匹配的测试结果。

弱光下光伏组件的电流-电压（I-V）曲线特征

在弱光条件下，光伏组件的I-V曲线形态会发生显著变化。最直观的是短路电流（Isc）：Isc与辐照度呈近似线性关系，当辐照度从1000W/m²降至100W/m²时，Isc约为STC下的10%。但开路电压（Voc）的变化则平缓得多——辐照度下降90%时，Voc仅下降5%-10%，这是因为Voc主要由半导体材料的带隙与载流子浓度决定，弱光下载流子浓度虽降低，但带隙基本不变。

填充因子（FF）是弱光下性能衰减的关键指标。FF反映了组件将光生载流子转化为有用功率的效率，其计算公式为（Pmax/(Voc×Isc)）。在弱光下，串联电阻（Rs）的影响被放大：由于Isc减小，Rs上的电压降（I×Rs）占Voc的比例增加，导致FF下降。例如，某常规PERC组件在STC下Rs为0.3Ω，FF为79%；在100W/m²下，Isc降至约0.6A，Rs电压降为0.18V，占Voc（约620mV）的29%，FF降至72%。

并联电阻（Rsh）的影响同样不可忽视。Rsh代表组件的漏电流水平，弱光下Rsh减小会导致更多光生载流子通过漏电流路径流失，进一步降低FF。例如，存在PID衰减的组件，Rsh可能从1000Ω降至100Ω，在100W/m²下FF会额外下降3%-5%，功率损失显著。

此外，弱光下I-V曲线的“膝点”（最大功率点，MPP）会向低电压、低电流方向移动，且曲线斜率变缓——这意味着最大功率点跟踪（MPPT）控制器在弱光下需更精准的算法，才能捕捉到MPP，否则会造成额外的功率损失。

弱光条件下的功率温度系数差异

功率温度系数（PTC）是衡量组件温度变化对功率影响的指标，STC下通常为-0.3%/℃至-0.5%/℃。但弱光下，PTC会发生变化——这是因为温度对载流子复合速率的影响，在弱光下（载流子浓度低）与STC下（载流子浓度高）不同。

测试显示，HJT组件的PTC在弱光下的绝对值更小。例如，STC下HJT的PTC为-0.25%/℃，在100W/m²下降至-0.2%/℃——这意味着温度每升高1℃，弱光下的功率损失比STC下少0.05%。原因是HJT的本征非晶硅（i-a-Si）层钝化效果好，温度升高时载流子复合速率的增加量小于PERC组件。

PERC组件的PTC在弱光下的变化更明显：STC下为-0.38%/℃，在100W/m²下升至-0.42%/℃（绝对值更大）。这是因为PERC的表面钝化效果较弱，弱光下载流子浓度低，温度升高导致复合速率急剧增加，功率损失更大。

温度系数的变化，直接影响组件在实际场景中的发电量。例如，某地区清晨温度为15℃，中午升至35℃，HJT组件在清晨弱光下的功率损失（因温度升高）为2%（10℃×0.2%/℃），而PERC为4.2%（10℃×0.42%/℃）——这意味着HJT在温度波动大的弱光场景中，发电量更稳定。

不同技术路线组件的弱光性能差异

不同光伏技术路线的弱光性能差异，本质源于材料钝化效果、载流子复合速率与光谱响应的不同。目前主流技术中，HJT（异质结）组件的弱光表现最优，PERC与TOPCon次之，常规铝背场（BSF）组件最差。

HJT组件的核心优势在于i-a-Si层的钝化效果：i-a-Si层能有效减少硅片表面的载流子复合，即使在弱光下（载流子浓度低），复合速率仍远低于PERC组件。测试显示，在100W/m²辐照度下，HJT组件的Voc比PERC高15-20mV，FF高3%-5%——这直接转化为更高的转换效率。此外，HJT的透明导电氧化物（TCO）层更薄，对短波光线的吸收更少，因此在阴天散射光（短波占比高）下的响应更优，发电量提升明显。

TOPCon（隧穿氧化层钝化接触）组件的弱光性能介于HJT与PERC之间。其隧穿氧化层与多晶硅层的组合，虽能实现较好的表面钝化，但载流子在多晶硅层中的传输电阻略高，导致弱光下的Rs损失比HJT大。某测试机构的数据显示，在200W/m²下，TOPCon的FF为76%，略低于HJT的78%，但高于PERC的74%。

PERC组件的弱光性能优于BSF组件，主要得益于背表面钝化（Al2O3层）减少了背面载流子复合。但PERC的正面钝化仍依赖SiO2层，效果弱于HJT的i-a-Si层，因此在弱光下的复合速率更高，FF与Voc的下降更明显。而BSF组件因背面无钝化，弱光下的载流子复合严重，FF甚至可能降至65%以下，功率损失达30%以上。

值得一提的是，IBC（叉指式背接触）组件的弱光性能也较为突出——其正面无金属栅线遮挡，光吸收面积更大，弱光下的Isc比常规组件高5%-8%。但IBC的制造工艺复杂，成本较高，目前尚未大规模普及。

弱光下的组件匹配损失与遮挡影响

在光伏系统中，组件串的功率输出受限于“木桶效应”——即串中性能最差的组件决定整体电流。弱光条件下，这种匹配损失会被放大：若串中有一块组件因遮挡或衰减导致弱光性能下降，整个串的电流会被拉低，功率损失远大于STC下的情况。

遮挡是弱光下最常见的问题。例如，组件部分被树叶、灰尘遮挡时，遮挡区域的辐照度可能降至50W/m²以下，而未遮挡区域为200W/m²。此时，遮挡区域的Isc远低于未遮挡区域，导致组件内部出现“电流失配”——未遮挡区域的电流无法全部流出，部分会通过遮挡区域形成反向电流，引发热斑效应。弱光下的热斑温度虽低于STC下的温度，但持续时间更长（如清晨遮挡可能持续数小时），长期会加速组件封装材料的老化，缩短寿命。

旁路二极管的作用是缓解遮挡损失，但弱光下其触发条件更难满足。旁路二极管的触发电压约为组件Voc的80%，弱光下Voc本身较低，若遮挡区域的Voc降至触发电压以下，二极管无法导通，仍会发生热斑。例如，某组件在200W/m²下的Voc为600mV，遮挡后降至450mV，低于触发电压（480mV），二极管无法工作，导致功率损失增加10%-15%。

此外，组件的初始失配（如生产过程中的参数差异）在弱光下也会被放大。例如，串中两块组件的Voc差异为10mV（STC下），在100W/m²下Voc差异可能扩大至15mV，导致匹配损失增加2%-3%。因此，在弱光高发地区，组件的分选精度需更高（如Voc偏差控制在5mV以内），以减少匹配损失。

弱光性能测试中的关键影响因素

弱光性能测试的准确性，直接影响对组件实际表现的判断。以下是几个关键影响因素：

首先是辐照度的测量精度。弱光下辐照度低，传统硅基辐照传感器的误差可能从STC下的1%扩大至5%以上。因此，需使用更精准的传感器（如热电堆型），并定期校准，确保辐照度测量误差小于2%。

其次是光谱匹配度。如前所述，弱光下的实际光谱与AM1.5标准光谱可能存在差异，若测试设备的光谱无法匹配，会导致组件光谱响应（SR）测试结果失准。例如，某HJT组件在标准光谱下的弱光效率为18%，但在真实阴天光谱（短波占比高）下的效率为19.5%，差异显著。因此，测试时需使用光谱可调的太阳模拟器，或在实际场景中进行户外测试，以获得更真实的数据。

第三是组件的预处理状态。光致衰减（LID）与热致衰减（PID）会降低组件的钝化效果，增加载流子复合速率。例如，经过LID的PERC组件，弱光下的FF会下降2%-3%，Voc下降10mV——因此，测试前需对组件进行预处理（如光照老化24小时），模拟实际使用中的衰减状态，确保结果真实可靠。

最后是测试设备的电流测量精度。弱光下Isc很小（如100W/m²下约0.6A），若设备的电流分辨率低（如0.1A），会导致I-V曲线测量误差大，无法准确计算FF与Pmax。因此，弱光测试需使用高精度的I-V测试仪（电流分辨率≤0.01A）。